美國陸軍通信帶寬需求及能力分析

2004年9月A版

　　軍事通信在戰(zhàn)爭中的作用日益重要。隨著軍事通信需求的不斷增長，帶寬不足問題愈加突出。如果把1991年海灣戰(zhàn)爭通信帶寬需求設(shè)為1，則科索沃戰(zhàn)爭通信帶寬就為2或2.5，2002年阿富汗“持久自由行動”通信帶寬為7，2003年“伊拉克自由行動”帶寬需求大約為10。在伊拉克戰(zhàn)爭期間，相對帶寬增長甚至更高，“在沖突高峰，美國國防信息系統(tǒng)局向該戰(zhàn)區(qū)提供的衛(wèi)星通信帶寬為3Gbps，是海灣戰(zhàn)爭時的30倍?！?/P>

　　美國陸軍正向更加靈活的“未來部隊”轉(zhuǎn)型，未來部隊將更加依賴通信，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)。圖1是美國國防部通信帶寬需求預(yù)測。

美陸軍目前及近期通信帶寬能力

從信息交換需求看帶寬需求

　　“斯瑞克”旅戰(zhàn)斗隊(SBCT)是目前美陸軍接近快速部署、全頻作戰(zhàn)的部隊。根據(jù)其對指揮、作戰(zhàn)、管理/后勤、情報、火力支援及工程的支持，對信息流(信息交換需求)進行了分類，以根據(jù)信息流量確定主要用戶及信息傳輸頻率。其中，最大的用戶為數(shù)據(jù)庫升級與轉(zhuǎn)換以及傳感器數(shù)據(jù)，量大且頻繁；其次可能是情報(圖像情報及電子情報)用戶，這些大型數(shù)據(jù)庫每天更新數(shù)次；迄今為止，車輛位置報告是傳輸最頻繁的信息，涉及用戶最多，但消息規(guī)模很小。

　　表1給出分析結(jié)果。這些估計是針對靜態(tài)或一般情況而言，不代表戰(zhàn)時動態(tài)信息流；另外，始料未及的信息需求可能大大增加實際帶寬需求。

從戰(zhàn)場試驗看帶寬需求

　　利用實際戰(zhàn)場數(shù)據(jù)(包括真實作戰(zhàn)或戰(zhàn)場試驗)也可以對帶寬進行評估。圖2是1997年美陸軍第四步兵師“師級先進作戰(zhàn)試驗”(DAWE)測量數(shù)據(jù)，給出24小時旅級部隊通信容量需求，并按照通信支持的功能進行了細分，包括態(tài)勢感知、協(xié)同計劃編制、精確作戰(zhàn)以及聚焦后勤?？梢钥闯霾煌鲬?zhàn)階段(如計劃編制、準備、主攻、反攻、鞏固)與時間通信需求的變化，旅級部隊最大容量需求為1.7Mbps。

　　圖3給出師級部隊的通信容量需求情況(不包括情報及后勤部隊數(shù)據(jù))，其最大容量需求為5.1 Mbps。圖中即時數(shù)據(jù)反映了數(shù)小時內(nèi)信息流的動態(tài)變化，最大、最小帶寬需求相差5倍，說明可根據(jù)具體情況滿足帶寬需求。

　　需要指出，未來帶寬需求評估應(yīng)綜合考慮上述兩種分析方法，且對通信變化及靈活性亦不容忽視。

目前及近期通信系統(tǒng)

　　“斯瑞克”旅戰(zhàn)斗隊旅級網(wǎng)絡(luò)支持指揮、態(tài)勢/指揮與控制、數(shù)據(jù)庫共享(陸軍作戰(zhàn)指揮系統(tǒng))、管理/后勤以及火力支援，網(wǎng)絡(luò)使用單信道地面和機載無線電系統(tǒng)(SINCGARS)、高頻、增強定位報告系統(tǒng)(EPLARS)以及近期數(shù)字電臺(NTDR)等多種無線電系統(tǒng)。

　　表2給出了美陸軍旅級通信系統(tǒng)目前及近期能力評估。目前，NTDR已經(jīng)取代移動用戶設(shè)備(MSE)，而戰(zhàn)術(shù)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)(THSDN)則正在取代NTDR。THSDN目前的傳輸速率是256kbps，將來可能提高到2Mbps。

　　從遠期看，WIN-T(單兵戰(zhàn)術(shù)信息網(wǎng))及JTRS(聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng))將擴大系統(tǒng)容量并增加系統(tǒng)機動性。作為在研項目，貝爾實驗室空間與時間(BLAST)概念是一種頻譜利用率很高的無線通信技術(shù)。在30kHz帶寬時，其數(shù)據(jù)速率為0.5 Mbps~1 Mbps，是傳統(tǒng)方法的10倍。

美陸軍未來通信需求及系統(tǒng)能力

未來帶寬需求

　　美陸軍未來作戰(zhàn)系統(tǒng)(FCS)將成為未來部隊的重要組成部分，它是由協(xié)同操作的多功能戰(zhàn)車組成的大系統(tǒng)，實時傳輸數(shù)據(jù)、信息和命令的移動自組通信網(wǎng)把這些車輛與原部隊連接起來。FCS概念要求利用空間信息柵格、機載信息柵格以及陸地信息柵格將陸、海、空、天各種平臺聯(lián)結(jié)成一個整體，以實現(xiàn)信息主宰。FCS作戰(zhàn)部隊是旅級部隊，未來部隊將使用多個這樣的作戰(zhàn)部隊。

　　通過對旅級部隊未來帶寬/通信容量的初步評估，可以看出傳感器數(shù)據(jù)主宰著帶寬需求。具體是：無人機(3級與4級)占67%，小型無人地面車、無人機(1級與2級)、無人值守地面?zhèn)鞲衅?、徘徊攻擊彈?精確攻擊彈藥占18%，有人地面戰(zhàn)車6%，態(tài)勢感知數(shù)據(jù)6%，協(xié)同2%，射擊1%，機器人控制及話音均在1%以內(nèi)。圖4給出FCS作戰(zhàn)部隊成員帶寬需求情況。

　　研究表明，現(xiàn)有帶寬及未來需求帶寬至少相差2倍，很可能是10倍。因此，旅級作戰(zhàn)部隊的帶寬供求差距是數(shù)百Mbps。

機遇與挑戰(zhàn)

　　下面探討未來作戰(zhàn)系統(tǒng)各個通信網(wǎng)絡(luò)層的需求及能力。

陸地網(wǎng)

　　網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)一定是機動自組網(wǎng)，支持地面車輛的陸地網(wǎng)也是機動自組網(wǎng)。自組網(wǎng)不依賴固定基礎(chǔ)設(shè)施，其節(jié)點本身必須存儲并轉(zhuǎn)發(fā)彼此的數(shù)據(jù)包。關(guān)于移動自組網(wǎng)的理論容量極限，還需進一步研究。Gupta與Kumar的研究結(jié)果是：如果把任何兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的平均數(shù)據(jù)傳輸速率(單位bps)定義為容量，而且使用全向天線，則：

①對于平面網(wǎng)絡(luò)而言，每節(jié)點的最大容量隨著n的增加而下降；

②對于三維網(wǎng)絡(luò)而言，每節(jié)點的最大容量隨著n的增加而下降。

　　雖然這些理論結(jié)果可用于確定極限參數(shù)，但通信網(wǎng)的性能對具體的假設(shè)(如地形、機動性、車輛大小、天氣等)也非常敏感。

　　另外，與路由選擇相關(guān)的內(nèi)務(wù)操作也占用帶寬。移動自組網(wǎng)必須“發(fā)現(xiàn)”從發(fā)送端到接收端的“適當(dāng)”路徑。由于美陸軍通信有其自身特點，可能還要設(shè)計開發(fā)專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　影響網(wǎng)絡(luò)傳輸信息能力的主要因素是：

①消息路由選擇

　　如果路由轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)較少，且內(nèi)務(wù)操作不多，就可以相對提高容量。節(jié)點容量隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大而下降，但較佳路由選擇可能減緩其下降速度。

②電源管理方案

　　傳輸電源管理或者基于電源的路由選擇使節(jié)點自動增加功率，獲得更遠的距離/連接，或使節(jié)點自動降低功率，減少對其它節(jié)點傳輸信息的干擾。

③天線技術(shù)

　　定向天線可降低網(wǎng)絡(luò)中的干擾概率，節(jié)省節(jié)點發(fā)射能量。

④節(jié)點機動性

　　Wilson認為：當(dāng)車輛較少時，吞吐量隨著車速的增加而下降。而Grossglauser與Tse的實驗結(jié)果卻相反：車輛機動性可改善網(wǎng)絡(luò)連通性，提高吞吐量。關(guān)于節(jié)點機動性與移動自組網(wǎng)吞吐量的關(guān)系，還需進行更多的實驗與模擬。

⑤理論性能與測量結(jié)果的差異

　　最大數(shù)據(jù)速率的理論值和實際值就有出入。通常，實際最大吞吐量估計值只是其理論最大值的1/3~1/2。

士兵網(wǎng)

　　支持步兵部隊的士兵網(wǎng)使移動自組網(wǎng)面臨最大挑戰(zhàn)，因為絕大多數(shù)士兵分布相對集中，且其電臺能力有限。由于士兵網(wǎng)既不能使用現(xiàn)有固定通信設(shè)施，又不能公開運行，其挑戰(zhàn)和機遇具有獨特性。

　　徒步士兵最基本的通信需求是：自己、友軍及敵人的位置。其天線大小及傳輸電源必須符合可實際穿戴、電池供電的要求。士兵網(wǎng)必須與主要的陸地網(wǎng)和/或一般的信息柵格保持連接。

　　美國國防先進研究計劃局(DARPA)支持士兵通信的項目之一是“小型部隊作戰(zhàn)態(tài)勢感知系統(tǒng)”，其目標是開發(fā)為徒步士兵提供所需態(tài)勢感知信息的無線電系統(tǒng)。2002年，該項目成功地演示了挑戰(zhàn)環(huán)境下徒步士兵保持通信聯(lián)絡(luò)的能力，在演示中電臺測距精度達到4米。

　　美陸軍“士兵級綜合通信環(huán)境”項目，將繼續(xù)在同一領(lǐng)域進行深入研究。其目標是：①開發(fā)支持移動自組網(wǎng)的電臺；②開發(fā)具有連續(xù)定位/導(dǎo)航和測距能力的軟件及硬件，以及開發(fā)智能管理工具——對向士兵顯示的信息種類和數(shù)量進行智能管理。

機載網(wǎng)

　　使用機載中繼設(shè)備，可以改善與網(wǎng)絡(luò)中“分離”用戶的連接，同時降低通過網(wǎng)絡(luò)路由選擇消息的難度。

　　崎嶇的地形會使地面之間的通信遇到困難，此時機載網(wǎng)可以提供連接。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)更大范圍的連接則提供了額外的載容鏈路(capacity-carrying link)。因此，垂直節(jié)點就是一個容量倍增器。使用無人機作為垂直節(jié)點的挑戰(zhàn)之一，就是確定向指定部隊提供安全連接所需的無人機數(shù)量；另外，無人機節(jié)點可能無意識地限制通信業(yè)務(wù)，如暴露的終端問題。

　　對戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)來說，垂直節(jié)點可減輕消息路由選擇的負擔(dān)，減少內(nèi)務(wù)操作。Helmy認為，少數(shù)額外網(wǎng)絡(luò)路徑的形成縮短了消息的平均路徑長度(如消息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)減少)。他指出：“對于一個有1000個節(jié)點、5000條鏈路的網(wǎng)絡(luò)，增加25~150條鏈路可使路徑長度縮短40%~60%。”

　　垂直節(jié)點的選擇根據(jù)覆蓋范圍確定，既可隨機選擇，也可預(yù)先指定。只是還需進行更多研究，確定垂直節(jié)點與其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的理想比率。

空間網(wǎng)

　　機載平臺容易受天氣的影響，其作戰(zhàn)需要某些基礎(chǔ)設(shè)施的支持。衛(wèi)星面向全球提供支持，可以擴大陸地網(wǎng)的優(yōu)勢。

　　激光通信技術(shù)在空間是可行的，其主要技術(shù)挑戰(zhàn)是從空間到地面的鏈路以及光鏈路。高速數(shù)據(jù)速率傳輸時，光學(xué)交聯(lián)優(yōu)于微波交聯(lián)。與射頻交聯(lián)相比，光學(xué)系統(tǒng)天線尺寸更小。射頻交聯(lián)更適合100Mbps以下的數(shù)據(jù)傳輸。隨著高效激光器及輕量光學(xué)鏡片的開發(fā)，低速光鏈路也將受到青睞。此外，光信號在大氣中傳輸時性能有一定衰減。

　　轉(zhuǎn)型通信結(jié)構(gòu)(TCA)正由美國國家安全空間結(jié)構(gòu)辦公室開發(fā)，目的是提高國防部通信容量。轉(zhuǎn)型通信研究提出，通過光學(xué)交聯(lián)增強系統(tǒng)間的互連。TCA將使美陸軍擁有大容量(數(shù)個Gbps)通信能力，這對戰(zhàn)區(qū)通信及戰(zhàn)略通信相當(dāng)重要。TCA目標是建立全球通信網(wǎng)，它將從光纖通信開始，然后是建立衛(wèi)星光通信系統(tǒng)。不過，連接戰(zhàn)術(shù)用戶的射頻鏈路尚待確定。

　　最后，需要指出：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將對帶寬需求及能力產(chǎn)生重要影響。約翰